7 Tecnologia di misurazione nella gestione dell’energia

7.2.1 Misurare la corrente

I dispositivi che misurano la corrente elettrica sono chiamati dispositivi di misurazione della corrente o amperometri. Il simbolo della corrente è I e la misura è di solito fatta in ampere (A) (unità SI).

La figura 14 mostra una semplice installazione in cui la corrente elettrica che scorre attraverso un resistore R deve essere misurata con un misuratore di corrente. La sorgente di tensione è mostrata qui dal suo diagramma di sostituzione con la tensione a vuoto Uq e la resistenza interna Ri.

Misura della corrente elettrica I attraverso il resistore R

Illustr. 14: Misura della corrente elettrica I attraverso il resistore R
Base su: Thomas Mühl, Einführung in die elektrische Messtechnik: Grundlagen, Messverfahren, Geräte, p. 89

Il dispositivo di misurazione della corrente è collegato in serie. Dato che ha una resistenza interna Ra, varia anche il carico della sorgente. La corrente misurata non corrisponde quindi più alla corrente reale senza un dispositivo di misurazione. Lo strumento di misura ha quindi un feedback sistematico sulla variabile misurata, che deve essere corretto per determinare la corrente reale. Per i dispositivi di misurazione della corrente a bassa impedenza, cioè Ra ” Ri + R, la deviazione di misurazione dovuta al feedback può, tuttavia, essere trascurata.

7.2.2 Misurazione della tensione

La tensione elettrica viene misurata con un dispositivo di misurazione della tensione o voltmetro. Il simbolo della tensione elettrica è U e l’unità SI associata è il volt (V).

Per la misurazione della tensione tramite un resistore R il dispositivo di misurazione è collegato in parallelo al resistore (Illustrazione 15).

Spannungsmessung

Illustrazione 15: Misurazione della tensione
Basato su: Thomas Mühl, Einführung in die elektrische Messtechnik: Grundlagen, Messverfahren, Geräte, p. 91

Anche qui, come nella misurazione della corrente, si osserva un feedback da parte del dispositivo di misurazione. La tensione misurata non corrisponde alla tensione reale senza il dispositivo di misurazione.

Qui, la deviazione di misurazione per Ra ” R // Ri può essere trascurata, quindi le tensioni dovrebbero essere misurate con un dispositivo di misurazione con la massima impedenza possibile.

7.2.3 Resistenza di trasformazione della corrente (shunt)

Per la misurazione di grandi correnti in particolare, si usa un metodo in cui una resistenza di trasformazione della corrente a bassa impedenza è integrata nel circuito elettrico. Un dispositivo di misurazione della tensione misura poi la tensione attraverso la resistenza di rilevamento della corrente definita con precisione e ne deduce la corrente. Lo shunt di solito ha una resistenza inferiore a 0,01 Ω.

7.2.4 Pinza a iniezione di corrente

Una pinza a iniezione di corrente permette di misurare le correnti senza dover scollegare il circuito elettrico.

Una pinza a iniezione di corrente AC consiste in una bobina e un nucleo anulare che può essere aperto. Il conduttore è circondato dal nucleo anulare, che induce una corrente secondaria nella bobina. La corrente secondaria viene quindi misurata e la corrente primaria nel conduttore può essere dedotta da essa.

Con una resistenza sul lato secondario, la corrente può essere convertita in una tensione proporzionale e quindi, per esempio, visualizzata su un oscilloscopio o un multimetro.

Per misurare la corrente continua, una sonda Hall può essere utilizzata nel circuito di misurazione.

Le pinze di misurazione della corrente di oggi sono di solito dispositivi di misurazione multipli che hanno diversi sensori e possibilità di misurazione (Illustr. 16).

Stromzange zur Messung von Wechselstrom, Gleich- und Wechselspannung, Kapazitäten und Widerstand im HLK-Bereich

Illustr. 16: Pinza a iniezione di corrente per misurare corrente AC, tensione DC e AC, capacità e resistenza nel campo HVAC
Fluke

7.2.5 Potenza elettrica

Gli strumenti che misurano e indicano la potenza elettrica sono chiamati misuratori di potenza. La potenza viene indicata con il simbolo P e viene solitamente misurata in watt (W) (unità SI).

Nel circuito a corrente continua, la potenza può essere facilmente determinata attraverso la relazione P = U² ÷ R e le relazioni derivate dalla legge ohmica e P = I² – R.

La misurazione della potenza nel circuito a corrente alternata deve essere affrontata in modo diverso, poiché la corrente e la tensione sono allora quantità alternate sinusoidali in funzione del tempo. La potenza diventa così una quantità dipendente dal tempo p(t) = u(t) – i(t), chiamata potenza momentanea.

Se la potenza momentanea viene mediata nel tempo, si ottiene la potenza attiva P. La potenza attiva mantiene con i valori effettivi di corrente e tensione, I e U e l’angolo di sfasamento Φ la seguente relazione: P = U – I – cos (Φ).

La potenza reattiva Q non contribuisce in media a un trasporto di potenza al consumatore e risulta da Q = U – I – sin (Φ).

La potenza apparente S è calcolata con i valori effettivi di corrente e tensione secondo l’equazione S = U – I berechnet , .

Maggiore è lo sfasamento F (o minore è il valore di cos cos (Φ)), maggiore è la corrente I. Poiché le correnti relativamente alte generano perdite ohmiche più elevate nella rete di distribuzione, la potenza reattiva è poco apprezzata nella pratica.

La misura della potenza reattiva può, per esempio, essere determinata con un dispositivo di misurazione elettronico che opera sulla base di un metodo di scansione. I valori momentanei di corrente e tensione i(t) e u(t) sono misurati in un determinato lasso di tempo. Si determina lo sfasamento tra corrente e tensione e si calcola la potenza reattiva.

La definizione precisa della grandezza misurata è anche importante nella misurazione della potenza. Per il dimensionamento di una rete di distribuzione, i valori massimi possono essere di interesse, per esempio, mentre per una misurazione del consumo, i valori medi sono di primaria importanza.

7.2.6 Energia elettrica (kWh)

L’energia elettrica è solitamente indicata in chilowattora (kWh). L’energia rappresenta l’integrazione della potenza in un periodo di tempo. Nei dispositivi digitali, questo viene fatto moltiplicando la differenza di tempo tra due misurazioni con la potenza osservata durante quel periodo.

7.2.7 Potenza ed energia (kWh)

Contatori a spina

I contatori di energia permettono una facile misurazione della potenza (W) e del consumo (kWh) di vari dispositivi elettrici. Spesso è possibile visualizzare la tensione di rete (V) e il flusso di corrente (A). Di solito, i dispositivi sono limitati a misurare i consumatori a 230 V, e quindi possono misurare solo una fase.

Il dispositivo di misurazione è collegato alla presa, e poi la spina del dispositivo di consumo è collegata alla presa del dispositivo di misurazione. Così, le informazioni desiderate possono essere lette sul display. Questi contatori di energia contengono un’elettronica complessa che funziona con basse correnti DC. Per l’elaborazione della tensione alternata dalla rete, questi segnali d’ingresso analogici devono quindi essere prelevati a brevi intervalli. I valori così ottenuti vengono elaborati digitalmente (Illustr. 17).

Steckdosen-Messgerät für Stromleistung und Energie, mit Datenspeicher und USB-Schnittstelle

Illustr. 17: Dispositivo di misurazione collegato alla presa per la misurazione della potenza e dell’energia, con memorizzazione dei dati e interfaccia USB
EMU Elektronik AG

Contatori di fatturazione

Un contatore di elettricità serve a misurare l’energia fornita in kWh. I contatori sono collocati in ogni unità immobiliare e sono di proprietà del fornitore di elettricità. La corrente viene letta dai dipendenti del fornitore di energia o in rari casi dai residenti, e viene utilizzata come base per il calcolo del prezzo da pagare.

Ci sono due contatori elettrici fondamentalmente diversi in termini di funzionamento, i contatori elettrici elettronici o digitali e i contatori meccanici a induzione. In molti edifici più vecchi si usano ancora contatori elettromeccanici a induzione (Illustrazione 18). In questi contatori, un disco di alluminio è messo in rotazione da un campo magnetico rotante. La velocità di rotazione del disco è proporzionale alla potenza da misurare, e il movimento rotatorio viene poi trasmesso a un contatore meccanico. Il campo rotante è creato da una bobina di corrente e una bobina di tensione, disposte su entrambi i lati del disco rotante. La corrente elettrica da misurare scorre attraverso la bobina a bassa resistenza. La tensione si misura nella bobina, che ha una resistenza molto alta ed è collegata in parallelo. I contatori elettromeccanici sono sempre meno utilizzati a favore di quelli digitali.

Drehstromzähler

Illustr. 18: Contatore trifase
KMJ

Digitaler Stromzähler

Illustr. 19: Contatore elettrico digitale
GWF MessSysteme AG

I contatori elettrici digitali (Illustr. 19) determinano il consumo di energia con l’aiuto della misurazione elettronica. Anche la visualizzazione sul dispositivo avviene elettronicamente. Questo tipo di misuratore promette la massima precisione grazie alla moderna tecnologia di misurazione e a un ampio campo di misurazione. Hanno anche il vantaggio di offrire interessanti funzioni aggiuntive, come una tariffa di alimentazione separata o diverse tariffe variabili nel tempo. I dati possono essere memorizzati, per esempio per determinare l’ora esatta di un picco di consumo. La lettura può essere fatta anche tramite un’interfaccia dati.

Oggi si parla sempre più di contatori elettrici intelligenti (Smart Meters, Illustr. 20). Questi contatori sono in realtà contatori elettronici che hanno anche un’interfaccia di comunicazione e, nella maggior parte dei casi, un processore interno con funzioni aggiuntive o anche “intelligenza”. Questi contatori elettrici con capacità di comunicazione permettono la lettura o il monitoraggio a distanza. La comunicazione può essere bidirezionale, permettendo di inviare tariffe dinamiche o informazioni al cliente. Questi contatori possono anche trasmettere ordini di commutazione per, per esempio, rifiutare i carichi nei periodi di punta o accendere e spegnere i consumatori. Oggi, lo scopo dichiarato dell’uso dei contatori intelligenti è spesso quello di rendere i clienti più responsabili del loro consumo di elettricità. Il cliente può ricevere informazioni precise sul suo consumo di energia. Al contrario, la possibilità di un monitoraggio sostenibile in tempo reale solleva controversie sulla privacy e pone la questione della protezione dei dati.

Smart Meter für den gewerblichen Bereich

Illustr. 20: Smart Meter per il settore artigianale
GWF MessSysteme AG

Metri privati

I contatori privati sono contatori di elettricità che non sono usati per la fatturazione. Per questo motivo, non sono anche soggetti all’obbligo di calibrazione e sono spesso meno costosi dei contatori di fatturazione. I contatori privati sono utilizzati per monitorare e misurare le distribuzioni e le uscite di corrente o per misurare il consumo di elettricità dei singoli consumatori. Lo scopo può essere quello di garantire la sicurezza dell’alimentazione durante il funzionamento, di prevenire i guasti o di determinarne la causa, o di misurare il consumo di energia per la gestione dell’energia.

Ci sono vari prodotti sul mercato, da semplici ed economici contatori di energia a dispositivi di misurazione universali (Illustr. 21) e analizzatori di rete con le funzioni più diverse. Oggi, la maggior parte di questi dispositivi di misurazione sono dispositivi elettronici in grado di comunicare. Possono leggere i dati di misurazione attraverso i bus e raccoglierli in memorie di dati di misurazione. Ma anche, per memorizzare i dati localmente nel dispositivo o per impostare valori di allarme, ad esempio in caso di potenza troppo elevata o in funzione di altri parametri di rete come la tensione, il flusso di immagini, il tasso di distorsione o il tasso di onde armoniche.

Universal-Messgerät für festen Einbau mit Mikroprozessor und Datenschnittstelle

Illustr. 21: Misuratore universale per integrazione fissa con microprocessore e interfaccia dati
Janitza electronics GmbH

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